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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung eines mit einer
Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommenen dreidimensionalen Bilddatensatzes mit
mehreren transversalen Schichtbildern eines den Ösophagus
wenigstens teilweise umfassenden Torsobereiches.
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Solcherlei
dreidimensionale Bilddatensätze werden meist aufgenommen,
wenn eine Behandlung von Herzerkrankungen auf minimal invasivem
Wege, beispielsweise über einen Katheter, erfolgen soll. Eine
solche Erkrankung ist das Vorhofflimmern, das beispielsweise über
die Katheterablation behandelt werden kann. Dabei wird ein sogenannter
Ablationskatheter bis in die Herzkammer vorgeschoben und die pathologisch
bedingten Leitungsbahnen werden verbrannt. Verbrennung bedeutet
in diesem Zusammenhang, dass das Gewebe derart verändert
wird, dass es seine Leitfähigkeit verliert und Narbengewebe
gebildet wird. Es gibt verschiedene Ansätze zur Zerstörung
des Gewebes. Die wohl verbreitetste Technik ist die Ablation per
Hochfrequenzstrom, der von der Katheterspitze auf das Endokard der
Kammer übertragen wird.
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Bei
diesem Eingriff besteht allerdings das Risiko, dass die Herzwand
perforiert wird und auch ein Loch in dem am linken Atrium anliegenden Ösophagus
entsteht. Jedoch kann auch durch thermischen Schaden allein im Regenerationsprozess
eine Fistel (Verbindung) zwischen dem Ösophagus und dem
linken Atrium entstehen. Durch die daraus entstehende Verbindung
zwischen dem Ösophagus und dem linken Atrium kann Luft
in das linke Atrium gelangen. Dieser Zustand ist lebensbedrohlich.
Ein Ansatz, dieses Risiko zu minimieren, besteht darin, die Ablationsleistung
des Katheters an der Kontaktstelle zwischen Ösophagus und
linkem Atrium zu reduzieren. Damit es dem be handelnden Arzt möglich
ist, diese Kontaktstelle zu erkennen, ist eine Segmentierung und
Visualisierung des Ösophagus erforderlich.
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Bekannte
Verfahren zur Segmentierung von Organen aus medizinischen Bilddatensätzen
setzen in der Regel einen erkennbaren Unterschied der Bildintensitäten
an den Organgrenzen voraus (beispielsweise Level-Sets, Wasserscheidentransformation).
Beim Ösophagus ist dieser Intensitätsunterschied
(auch Bildgradient genannt) an der äußeren Ösophaguswand
in der Regel sehr gering. Dies gilt für Computertomographie-Aufnahmen
(CT-Aufnahmen) wie auch für Magnetresonanz-Aufnahmen (MR-Aufnahmen),
insbesondere jedoch für C-Arm-CT-Aufnahmen. Insbesondere
auf Höhe der Kontaktstelle zwischen Ösophagus
und linken Atrium fehlt es an eindeutigen Bildmerkmalen, die eine
Verwendung bekannter Segmentierungsverfahren erlauben würden.
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Im
Stand der Technik wurden bislang nur wenige Forschungsarbeiten zur
Segmentierung des Ösophagus durchgeführt. Eine
Arbeit, die sich ausschließlich der Ösophagussegmentierung
widmet, stammt von Rousson et al. (M. Rousson et al, „Probabilistic
Minimal Path for Automated Esophagus Segmentation", Proc.
SPIE Medical Imaging, Vol. 6144, 2006, S. 1361–1369).
Dort wird vorgeschlagen, aus einem Satz von Trainingsdaten ein statistisches
Modell der Lagebeziehung zwischen dem Ösophagus, dem linken
Atrium und der Aorta zu erstellen. Nach dieser Trainingsphase benötigt
der Algorithmus zusätzlich zu der Segmentierung des linken
Atriums, die üblicherweise im klinischen Workflow zuerst
durchgeführt wird, und der Aorta als Eingabe je einen Punkt
oberhalb und unterhalb des linken Atriums, durch den der Ösophagus
verläuft. Daraus wird eine Mittellinie des Ösophagus
bestimmt, von welcher ausgehend dann in jedem Schichtbild eine Ellipse
bestimmt wird. Dieses Verfahren ist sehr rechenaufwendig und damit
zeitintensiv. Eine Steuerung der Segmentierung durch den Benutzer
und eine Nachbearbeitung des Ergebnisses sind nicht in das Verfahren integriert,
zudem gibt es Form und Verlauf des Ösophagus nicht hinreichend
genau wieder.
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Weitere
Arbeiten, die sich mit der Segmentierung verschiedener Organe, unter
anderem auch des Ösophagus, befassen, nutzen beispielsweise
die sogenannten „deformable models” (Ragan
et al., „Semiautomated four-dimensional computer tomography
segmentation using deformable models", Medical Physics
32(7), Seiten 2254–2261) oder die „optic
flow-Technik” (Huang et al., „Semi-automated
CT segmentation using optic flow and Fourier interpolation techniques",
Computer Methods and Programs in Biomedicine 84, Seiten 124–134).
Im Verfahren von Ragan et al. wird die Fourier-Interpolation genutzt, um
aus wenigen Stützpunkten eine zweidimensionale Kontur in
einer Transversalschicht zu erstellen. Die so erhaltene Kontur wird
mittels optical flow in mehreren Schichten interpoliert. Jedoch
liefert keine dieser beiden Techniken ein zufriedenstellendes Ergebnis.
Eine weitere Möglichkeit ist auch die Anwendung von impliziten
Funktionen, welche jedoch mit erhöhtem Rechenaufwand verbunden
ist und keinerlei Modellwissen umfasst.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zur Auswertung von Bilddatensätzen anzugeben, mit dem eine
genauere Segmentierung des Ösophagus ohne großen Rechenaufwand
und mit geringem Zeitaufwand ermöglicht wird.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art zur Segmentierung des Ösophagus in einem
interessierenden Bereich erfindungsgemäß vorgesehen,
dass
- – wenigstens zwei erste Außenkonturen
des Ösophagus in verschiedenen Schichtbildern, deren beiden äußerste
Schichtbilder einen den interessierenden Bereich umfassenden Bereich
einfassen, sowie deren Fourier-Deskriptoren durch Fouriertransformation
ermittelt werden,
- – aus den Außenkonturen longitudinal aufeinanderfolgende
Paare gebildet werden,
- – für jedes Paar aus den jeweiligen Fourier-Deskriptoren
der Außenkonturen eines Paares durch Interpolation Fourier-Deskriptoren
von zweiten Außenkonturen in den zwischen den Schichtbildern
des Paares liegenden Zwischenschichtbildern ermittelt werden und
- – durch inverse Fouriertransformation die zweiten Außenkonturen
in den Zwischenschichtbildern aus den jeweiligen Fourier-Deskriptoren
bestimmt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren geht dabei von einem
Modell des Ösophagus aus, das im Wesentlichen folgendes
Vorwissen über die Form des Ösophagus beinhaltet.
Zunächst ist bekannt, dass er in guter Näherung
parallel zur Longitudinalachse verläuft. Dabei besitzt
er innerhalb der transversalen Schichten eine glatte Außenwand ohne
scharfe Kanten, zudem variiert die Form seiner Außenwand
nicht sprungartig von einer Transversalschicht zu nächsten.
Als vierte Eigenschaft ist bekannt, dass sich der Ösophagus
nicht aufteilt. Aus dem Verlauf des Ösophagus sowie der
Tatsache, dass er sich nicht aufteilt, kann geschlossen werden, dass
die Außenwand des Ösophagus als eine lineare Abfolge
von zweidimensionalen parallelen geschlossenen Außenkonturen
modelliert werden kann. Für diese Konturen ist es bekannt,
dass sie durch die sogenannten Fourier-Deskriptoren beschrieben
werden können.
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Dabei
kann eine diskrete geschlossene Kurve in eine komplexwertige periodische
Funktion durch die diskrete Fouriertransformation umgewandelt werden.
Die komplexwertigen Koeffizienten der Außenkontur im Frequenzraum
werden als Fourier-Deskriptoren bezeichnet. Dabei beschreibt der erste
Fourier-Deskriptor die Lage des Schwerpunktes der Außenkontur,
während die anderen Fourier-Koeffizienten translationsinvariant
sind. Die Zahl und der Betrag der Fourier-Deskriptoren geben an, wie „glatt” eine
Außenkontur ist. Nun ist, wie bereits dargestellt, für
den Ösophagus von einer recht glatten Außen kontur
auszugehen, so dass bereits eine Anzahl von vier bis acht Fourier-Deskriptoren
ausreichen kann, um eine grob ellipsenförmige Struktur
wie den Ösophagus ausreichend präzise wiederzugeben.
Als besonders geeignet haben sich sechs Fourier-Deskriptoren erwiesen.
Der Vorteil der Fourier-Deskriptoren ist es, dass sie eine dekorrelierte Beschreibung
der Form einer Außenkontur sind. Aufgrund des Wissens,
dass die Form der Außenwand (also die Außenkontur)
des Ösophagus nicht sprungartig zwischen benachbarten Schichtbildern
wechselt, folgt schließlich, dass eine Interpolation möglich ist.
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Die
spezielle Natur des Ösophagus, insbesondere die Tatsache,
dass er sich im Vergleich zu anderen röhrenförmigen
Strukturen nicht teilt, erlaubt es also, Fourier-Deskriptoren vorteilhaft
zur Segmentierung des Ösophagus zu verwenden. Dabei ist
zu beachten, dass eine Interpolation der Ösophagus-Außenkonturen
im Ortsraum nachteilhaft ist, da keine eindeutige Zuordnung zwischen
Punkten zweier ermittelter Außenkonturen möglich
ist und die Anzahl der Konturpunkte in den Schichten in der Regel unterschiedlich
ist. Die Anwendung von Fourier-Deskriptoren hat dagegen den entscheidenden
Vorteil, dass sie dekorreliert die Form der Kontur beschreibt und
somit die Interpolation der Form der Außenkonturen ermöglicht.
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Im
Vergleich zu anderen Verfahren weist das erfindungsgemäße
Verfahren zudem eine sehr schnelle Berechnungszeit auf. Es hat einen äußerst flexiblen
Einsatzbereich, da eine grobe Segmentierung bereits mit zwei ersten
Außenkonturen möglich ist und eine Steigerung
der Genauigkeit durch eine größere Zahl erster
Außenkonturen ermöglicht wird. Als eine gute Anzahl
haben sich vier erste Außenkonturen erwiesen.
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Die
ersten Außenkonturen können manuell, insbesondere
durch einen Arzt, in den Schichtbildern bestimmt werden. Damit kann
der Benutzer, wenn ihm beispielsweise eines der Schichtbilder angezeigt wird,
mit Hilfe eines Zeichenwerkzeuges die gesamte Außenkontur
in dieses Schichtbild einzeichnen und somit defi nieren. Alternativ
ist es auch möglich, dass nur einige Stützstellen
in der Schicht markiert werden, die durch einen zweidimensionalen
Interpolationsalgorithmus zu einer ersten Außenkontur verbunden
werden. Dabei ist darauf zu achten, dass zumindest die beiden äußersten
ersten Konturen in longitudinaler Richtung den interessierenden
Bereich, also hauptsächlich den Bereich, in dem das linke
Atrium am Ösophagus anliegt, einfassen. Die Schichtbilder weiterer
erster Konturen sollten gleichmäßig den interessierenden
Bereich abdecken. Damit fließt vorteilhafterweise die Erfahrung
und das Wissen des Experten, insbesondere des Arztes, in den Segmentierungsprozess
mit ein. Zudem ist das Verfahren somit unabhängig von der
Art der Bildaufnahmeeinrichtung, da die Bildinformation nicht unmittelbar
ausgewertet wird.
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Zum
Zwecke einer weiteren Automatisierung des Verfahrens kann jedoch
auch vorgesehen sein, dass die ersten Außenkonturen automatisch
bestimmt werden. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße
Verfahren vollständig automatisiert werden, nachdem die
weiteren Schritte (Fouriertransformation, Paarbildung, Interpolation,
inverse Fouriertransformationen) ohnehin automatisch ablaufen. Mit
besonderem Vorteil können zur Bestimmung der ersten Außenkonturen
zunächst Luftblasen innerhalb des Ösophagus in
den wenigstens zwei Schichtbildern, in denen dann die ersten Außenkonturen
liegen, segmentiert werden, aus denen die ersten Außenkonturen,
insbesondere durch Dilatation, bestimmt werden. Dabei wird die Tatsache
ausgenutzt, dass sich im Ösophagus häufig Luftblasen
befinden, die sehr gut segmentierbar sind – zumindest bei
CT- und häufig auch MR-Bildern. Finden sich nun wenigstens
den interessierenden Bereich oder einen weiteren Bereich begrenzende
Luftblasen, so kann deren Lage durch ein geeignetes Verfahren bestimmt werden,
um daraus vollautomatisch die ersten Außenkonturen zu ermitteln.
Beispielsweise können die Luftblasen um einen bestimmten
Betrag in den Richtungen des Schichtbildes dilatiert werden. Ein
Verfahren zum Auffinden von Luftblasen im Ösophagus wird
beispielsweise durch die parallel und am gleichen Tag eingereichte
Patentanmeldung mit der internen Nummer ”200724752” der
Anmelderin beschrieben.
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Nachdem
die ersten Außenkonturen bestimmt sind, werden diese in
einem nächsten Schritt in ihrer longitudinalen Abfolge
paarweise geordnet. Für jedes der nun gebildeten Paare
von ersten Außenkonturen werden mit Hilfe der Fourier-Deskriptoren
nun durch Interpolation Fourier-Deskriptoren in den dazwischen liegenden
Schichten, also Zwischenschichtbildern, bestimmt.
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Diese
Interpolation kann in vorteilhafter Weise linear, insbesondere schrittweise
linear, erfolgen. Dies ist möglich, da aus dem zugrundeliegenden
Modellwissen bekannt ist, dass keine starken Änderungen
der Außenkonturen zwischen einzelnen Schichtbildern stattfinden.
Eine lineare Interpolation ist einfach durchzuführen und
es wird eine weitere Verringerung des Rechenaufwandes erzielt. Dennoch
werden gute Ergebnisse erreicht. Insbesondere kann die Interpolation
schrittweise linear erfolgen, das bedeutet, dass immer zwischen
der zuletzt bestimmten zweiten Außenkontur und der ersten
Außenkontur des Paares, in deren Richtung vorgegangen wird,
interpoliert wird, es erfolgt also zunächst eine Interpolation
zwischen den beiden ersten Außenkonturen des Paares für
die durch das benachbarte Schichtbild einer ersten Außenkontur
beschriebenen Schicht, woraufhin diese für die benachbarte
Schicht bestimmte zweite Außenkontur als Grundlage der
weiteren Interpolation dient.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens können zudem für die Segmentierung
des Ösophagus weitere Informationen berücksichtigt
werden, insbesondere die Lage weiterer, bereits segmentierter Organe.
Im klinischen Workflow wird häufig zu allererst das linke
Atrium und in selteneren Fällen auch die Aorta segmentiert.
Da der Ösophagus das linke Atrium nicht schneiden kann,
kann diese Information vorteilhafterweise im erfindungsgemäßen Verfahren
genutzt werden. Dazu kann vorgesehen sein, dass vor der Segmentierung
des Ösophagus das linke Atrium segmentiert wird, wobei
nach der Interpolation in den Zwischenbildern die zweite Außenkontur
durch inverse Fouriertransformation aus den interpolierten Fourier-Deskriptoren
bestimmt wird, eine eventuelle Überscheidung der durch
die zunächst bestimmte zweite Außenkontur definierte
Fläche mit dem Atrium festgestellt wird und die zweite
Außenkontur durch Translation und/oder Rotation und/oder
Verformung so geändert wird, dass keine Überschneidung
mehr vorliegt. Dieser Vorgehensweise liegt der auch klinisch beobachtete
Effekt zugrunde, dass das linke Atrium den Ösophagus häufig
etwas in eine Richtung zur Seite drückt. Mit dem Wissen über
die Lage des leicht zu segmentierenden linken Atriums, zu dessen Segmentierung
im Stand der Technik vielfältige Methoden bekannt sind,
kann das erfindungsgemäße Verfahren verfeinert
werden und unsinnige Ergebnisse können verhindert werden.
Dazu wird immer dann, wenn Fourier-Deskriptoren für eine
zweite Außenkontur in einem Zwischenschichtbild erhalten
worden sind, durch inverse Fouriertransformation die interpolierte
zweite Außenkontur im Ortsraum bestimmt. Wird eine Überschneidung
mit dem segmentierten linken Atrium festgestellt, so werden Form
und Lage der zweiten Außenkontur so angepasst oder verändert,
so dass diese Überschneidung vermieden wird. Insbesondere
bei der schrittweise linearen Korrektur werden so hervorragende
Ergebnisse erzielt.
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Diese
Verhinderung der Überschneidung kann beispielsweise dadurch
erzielt werden, dass die Vektoren vom Schwerpunkt der zweiten Außenkontur zu
den innerhalb des linken Atriums liegenden Punkten der zweiten Außenkontur
und daraus durch Mitteilung ein Translationsvektor bestimmt wird,
wonach die zweite Außenkontur in Richtung des negativen Translationsvektors
verschoben wird. Der negative Translationsvektor gibt letztendlich
die Richtung an, in die das linke Atrium den Ösophagus
drückt. Beispielsweise wird dabei erfindungsgemäß folgendermaßen
vorgegangen. Zunächst werden alle Punkte der interpolierten
zweiten Außenkontur ermittelt, die innerhalb des segmentierten
linken Atriums liegen. Zudem wird der Schwerpunkt der interpolierten
zweiten Außenkontur ermittelt. Danach erfolgt eine Mittelung
der Vektoren vom Schwerpunkt zu den innerhalb des linken Atriums
liegenden Punkten der interpolierten zweiten Außenkontur.
Dies ist dann der Translationsvektor. Dann kann in einer speziellen
Ausführungsform des Verfahrens die ermittelte zweite Außenkontur
um den kleinstmöglichen Schritt in Richtung des negativen
Translationsvektors verschoben werden. Hierbei ist darauf hinzuweisen,
dass dabei nur der erste Fourier-Deskriptor der zweiten Außenkontur
anzupassen ist, da die anderen, wie oben dargestellt, translationsinvariant
sind. Nachdem die zweite Außenkontur so verschoben wurde,
wird erneut überprüft, ob noch immer eine Überlappung
vorliegt und, falls dies der Fall ist, erneut ein Translationsvektor
bestimmt und eine Translation vorgenommen. Dies wird solange wiederholt,
bis keine Überschneidung mehr vorliegt, die ermittelte
zweite Außenkontur also am linken Atrium anliegt.
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Nachdem
der Ösophagus auf diese Weise segmentiert worden ist, kann
er auf bekannte Art und Weise, beispielsweise in einer dreidimensionalen Darstellung
durch Rendern dargestellt werden.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es, dass auf einfache Art und Weise eine Abänderung
oder Anpassung der ermittelten Segmentationsergebnisse erfolgen
kann. Stellt beispielsweise ein die Visualisierung bzw. die Außenkonturen
betrachtender Arzt eine Unstimmigkeit fest, so ist es möglich,
nachträglich Änderungen durchzuführen.
Beispielsweise kann nachträglich eine weitere erste Außenkontur
bestimmt werden, wobei Paare mit der oder den benachbarten bereits
vorher bestimmten ersten Außenkonturen gebildet werden
und erneut zweite Außenkonturen in dem zwischen den benachbarten
ersten Außenkonturen oder in dem zwischen der benachbarten
ersten Außenkontur und der weiteren ersten Außenkontur liegenden
Bereich ermittelt werden. Wird demnach eine weitere erste Außenkontur
zwischen zwei bereits vorher bestimmten ersten Außenkonturen
bestimmt, werden zwei neue Paare gebildet und es findet mittels
der Fourier-Deskriptoren wie oben beschrieben eine neue Interpolation
für diese Paare statt. Wird außen eine weitere
erste Außenkontur hinzugefügt, der Bereich also
erweitert, so wird nur ein neues Paar aus der neuen ersten Außenkontur
und der bisherigen äußersten Außenkontur
gebildet, woraufhin auch dort wie oben beschrieben eine Interpolation
der Fourier-Deskriptoren stattfindet.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass eine nicht äußerste
erste Außenkontur gelöscht wird, woraufhin ein
Paar der benachbarten ersten Außenkonturen gebildet wird
und erneut zweite Außenkonturen in dem zwischen den benachbarten
ersten Außenkonturen liegenden Bereich ermittelt werden.
Es ist also auch möglich, beispielsweise eine fehlerhaft
ermittelte erste Außenkontur zu löschen. Schließlich kann
auch vorgesehen sein, dass eine erste oder eine zweite Außenkontur
nachträglich geändert wird, woraufhin Paare mit
der oder den benachbarten ersten Außenkonturen gebildet
werden und erneut zweite Außenkonturen in dem zwischen
der geänderten Außenkontur und der oder den benachbarten
ersten Außenkonturen liegenden Bereich ermittelt werden. Somit
können nicht nur erste Außenkonturen nachträglich
geändert werden, es kann auch eine Änderung einer
zweiten Außenkontur erfolgen, die dann sozusagen zu einer
neu definierten ersten Außenkontur wird. Auch hier findet
jeweils in den betroffenen Bereichen eine Neuinterpolation der Fourier-Deskriptoren
statt. Somit wird die Flexibilität des Verfahrens weiter
erhöht, so dass eine genaue Bestimmung der Lage des Ösophagus
stattfinden kann und das Risiko einer Ösophagusperforation
vermieden wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl auf Magnetresonanzbilddatensätze
als auch auf CT-Bilddatensätze, insbesondere auf C-Arm-CT-Bilddatensätze,
anwendbar.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen
Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine
beispielhafte Ansicht eines Schichtbildes mit einer Außenkontur,
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3 ein
Flussdiagramm für die schrittweise lineare Interpolation
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine
Skizze zur Korrektur von Überschneidungen einer zweiten
Außenkontur mit dem linken Atrium,
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5 einen
Sagittalschnitt durch einen Bilddatensatz mit segmentiertem Ösophagus
und
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6 eine
dreidimensionale Visualisierung des segmentierten Ösophagus
und des linken Atriums.
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1 zeigt
einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren findet
im Rahmen der Bildauswertung eines mit einer Bildaufnahmeeinrichtung,
beispielsweise einer CT-Einrichtung oder einem MR-Gerät,
aufgenommenen Bilddatensatzes Anwendung. Eine solche größtenteils
oder vollständig automatisierte Auswertung kann beispielsweise bereits
in einer Auswerteeinheit der Bildaufnahmeeinrichtung selber erfolgen.
Es ist jedoch auch möglich, eine anderweitige Recheneinrichtung
zur Durchführung des Verfahrens auszugestalten.
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Der
auszuwertende Datensatz kann ein CT-Bilddatensatz oder ein MR-Bilddatensatz
sein, der eine Mehrzahl transversaler Schichtbilder umfasst, die
den oberen Torsobereich eines Patienten, insbesondere das Herz,
zeigen. Die Speiseröhre, also der Ösophagus, liegt
bekanntlich am linken Atrium des Herzens an. Um beispielsweise bei
einer Ablationsbehandlung im linken Atrium eine Perforation des Ösophagus
und der Herzkammerwand mit der Folge des möglichen Eindringens
von Luft in das Herz zu vermeiden, ist es mit dem vorliegenden Verfahren
möglich, den aufgrund des schwachen Kontrasts kaum erkennbaren Ösophagus
dennoch zu segmentieren.
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Dafür
wird in einem ersten Schritt 1 zunächst das linke
Atrium segmentiert. Dieser Schritt erfolgt im klinischen Workflow üblicherweise
ohnehin vor der weiteren Auswertung des Bilddatensatzes. Verfahren zur
Segmentierung des linken Atriums sind im Stand der Technik in vielfältiger
Weise bekannt, so dass dieser Schritt hier nicht näher
ausgeführt werden muss.
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In
Schritt 2 werden dann wenigstens zwei erste Außenkonturen
des Ösophagus in verschiedenen Schichtbildern ermittelt.
Diese Außenkonturen sollten so gewählt werden,
dass deren beiden äußerste Schichtbilder einen
den interessierenden Bereich, hier also insbesondere den Bereich,
in dem der Ösophagus am linken Atrium anliegen kann, umfassenden
Bereich einfassen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die
Segmentierung in jedem Fall auch in den kritischen Bereichen erfolgt.
Mit der Bestimmung der ersten Außenkonturen werden auch unmittelbar
deren Fourier-Deskriptoren bestimmt. Dies kann beispielsweise – wie
jede anderen hier diskutierte Fouriertransformation – durch
den FFT-Algorithmus (Fast Fourier Transform) erfolgen. Zur Bestimmung
der ersten Außenkonturen sind im Wesentlichen zwei Varianten
denkbar. Eine Möglichkeit ist es, dass die ersten Außenkonturen
manuell durch eine Bedienperson, insbesondere durch einen Arzt, bestimmt
werden. Dazu wird das entsprechende Schichtbild beispielsweise auf
einem Monitor angezeigt, woraufhin der Benutzer entweder die gesamte Kontur
mit einem Zeichenwerkzeug markiert oder Stützpunkte angibt,
die dann durch zweidimensionale Interpolation zu einer ersten Außenkontur
ergänzt werden.
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Eine
zweite Möglichkeit ist die automatische Bestimmung der
ersten Außenkonturen. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen
sein, dass zunächst aus dem Bilddatensatz die Position
und Größe im Ösophagus befindlicher Luftblasen
bestimmt wird. Sind geeignete Luftblasen gefunden, so können
die ersten Außenkonturen beispielsweise durch Dilatation
der entsprechenden als Luftblasen erkannten Flächen vollautomatisch
bestimmt werden.
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Ein
Beispiel für eine Außenkontur 3 in einem Schnittbild 4 ist
in 2 gezeigt. Dort erkennt man daneben auch das bereits
segmentierte linke Atrium 5 sowie die ebenso segmentierte
Aorta 6. Auch weitere Objekte 7 sind zu sehen.
Ersichtlich ist im Bereich des Ösophagus, also der Außenkontur 3,
nur sehr geringer Kontrast vorhanden; der Ösophagus ist daher
lediglich durch einen Experten oder automatisch, beispielsweise
anhand von Luftblasen, genau zu bestimmen.
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Fortgesetzt
wird das Verfahren in einem Schritt 8, in dem die ersten
Außenkonturen longitudinal geordnet werden und jeweils
zu benachbarten Paaren zusammengefasst werden.
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Danach
erfolgt in Schritt 9 die schrittweise lineare Interpolation
der Fourier-Deskriptoren für jedes der gebildeten Paare.
Die Schritte, die dazu für jedes der Paare durchgeführt
werden müssen, sind in 3 näher
dargestellt. Sei FD die Bezeichnung für die Fourier-Deskriptoren,
K die Bezeichnung für eine erste Außenkontur,
z allgemein ein Index für die einzelnen Schichtbilder und
sei die eine erste Außenkontur des Paares in der Schicht
z1 zu finden, die andere erste Außenkontur
des Paares in der Schicht z2. Dann läuft
der in 3 dargestellte Index z von z1 + 1
bis z2 – 1 in Schritten von 1,
das bedeutet, schrittweise werden die Fourier-Deskriptoren FD für
die einzelnen Schichten interpoliert. Dazu benötigt der Verfahrensschritt 9 für
ein Paar als Eingaben also FD(z1) und FD(z2). In einem Schritt 10 wird nun
zunächst die Steigung der Fourier-Deskriptoren FD slope
(z – 1) bestimmt. Diese wird in Schritt 11 genutzt, um
die Fourier-Deskriptoren FD(z) für die aktuell bearbeitete
Schicht z zu bestimmen. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass
bei den in 3 gezeigten Formeln „FD” selbstverständlich
stellvertretend für jeden der verwendeten Fourier-Deskriptoren,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs, steht.
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In
Schritt 12 wird dann durch inverse Fouriertransformationen
aus den Fourier-Deskriptoren FD(z) eine zweite Kontur Rz bestimmt.
Diese gibt die zweite Außenkontur somit im Ortsraum im
entsprechenden Zwischenschichtbild an, während die Fourier-Deskriptoren
eine Darstellung im Frequenzraum sind.
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In
Schritt 13 wird sodann überprüft, ob
sich die zweite Außenkontur Rz mit
dem in Schritt 1 segmentierten linken Atrium überschneidet.
Ist dies der Fall, Pfeil 14, so erfolgt in Schritt 15 eine
Veränderung der zweiten Außenkontur Rz derart,
dass keine Überschneidung mehr vorliegt. Ist diese Korrektur abgeschlossen
oder lag nie eine Überschneidung vor, so werden die Schritte 10–13 und
eventuell 15 für das nächste z wiederholt,
bis z2 – 1 erreicht ist, Pfeile 16 und 17.
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Eine
Möglichkeit der Veränderung der zweiten Außenkontur
Rz im Schritt 15 wird durch 4 näher
erläutert. Darin bezeichnet 18 die segmentierte Außenwand
des linken Atriums, 19 die zweite Außenkontur
Rz mit den einzelnen Punkten der Kontur,
und 20 den Schwerpunkt der Außenkontur Rz. Ersichtlich liegen mehrere Punkte 21 der
zweite Außenkontur 19 innerhalb des linken Atriums.
Im Schritt 15 aus 3 werden
in diesem Ausführungsbeispiel nunmehr Vektoren vi vom Schwerpunkt 20 zu den Punkten 21 ermittelt.
Der daraus gebildete mittlere Vektor t ist in 4 als –t
in die Gegenrichtung eingezeichnet. Dies ist die Richtung, in die
die zweite Außenkontur 19 nun um einen kleinstmöglichen
Schritt, also ein Pixel des Schichtbildes, verschoben wird, der
Vektor –t wird demnach auf die kleinstmögliche
Verschiebelänge normiert. Ist die zweite Außenkontur 19 so
verschoben worden, wird erneut über prüft, ob Punkte 21 existieren,
die noch immer innerhalb des durch die Wand 18 begrenzten
linken Atriums liegen. Ist dies der Fall, wird das eben genannte
Vorgehen wiederholt. Dies geschieht so lange, bis keine Überschneidung
mehr vorliegt.
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Es
sei an dieser Stelle angemerkt, dass außer einer Translation
selbstverständlich auch andere Maßnahmen zur Veränderung
der zweiten Außenkontur Rz bzw. 19 vorgenommen
werden können, beispielsweise eine Rotation oder eine Formveränderung,
um die Überschneidung zu beseitigen.
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Ist
nun Schritt 9 aus 1 für
alle Paare durchgeführt worden, so ist durch die zweiten
Außenkonturen R die Lage des Ösophagus in jedem
transversalen Schnittbild zwischen den beiden äußersten ersten
Konturen bestimmt. Dies wird durch 5 näher
illustriert. Dort ist ein Sagittalschnitt 22 durch den Bilddatensatz
zu sehen. Das in Schritt 1 segmentierte linke Atrium 5 und
die Aorta 6 sind wiederum dargestellt. Bei 23 sind
die hier beispielhaft drei ersten Außenkonturen dargestellt,
die in Schritt 2 definiert wurden. Die Begrenzungen 24 des Ösophagus
ergeben sich aus den bestimmten zweiten Außenkonturen Rz.
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In
Schritt 25, vgl. 1, werden
die Ergebnisse der Segmentierung nun durch einen Benutzer begutachtet.
Dies kann durch Betrachten der einzelnen Schnittbilder 4,
wie in 2 dargestellt, erfolgen, oder aber auch durch
eine dreidimensionale Visualisierung. Erkennt der Benutzer mit seinem
Expertenwissen Fehler in der Segmentierung, so kann er diverse Änderungen
vornehmen, Schritt 26. So kann er beispielsweise erste
Außenkonturen löschen, erste oder zweite Außenkonturen
verändern oder neue erste Außenkonturen hinzufügen.
Wird eine erste Außenkontur gelöscht, die zwischen
zwei anderen ersten Außenkonturen liegt, so bilden diese
beiden Außenkonturen ein neues Paar, für das der
Schritt 9, Interpolation, erneut durchgeführt
wird. Wird eine erste Außenkontur verändert, so
wird der Schritt 9 für die Paare oder das Paar,
das sie mit ihren Nachbarn bildet, ebenso wiederholt. Wird eine
zweite Außenkontur verändert, so zählt
diese wie eine neu eingefügte erste Außenkontur.
Wird eine neue erste Außenkontur eingefügt, so
werden ebenso Paare mit der oder den benachbarten ersten Außenkonturen
gebildet, für welche der Schritt 9 ebenso erneut
durchgeführt wird. Diese erneute Interpolation wird durch
den Pfeil 27 verdeutlicht. Ist der Benutzer in Schritt 25 zufrieden,
so erfolgt die weitere Auswertung des Bilddatensatzes in Schritt 28.
Insbesondere ist es nun möglich, beispielsweise durch dreidimensionales
Rendern den Ösophagus zusätzlich zum linken Atrium
und der Aorta darzustellen.
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Eine
beispielhafte Visualisierung ist in 6 dargestellt.
Dort bezeichnet 5 das linke Atrium mit den anschließenden
Pulmonalvenen, 29 zeigt den am linken Atrium anliegenden
segmentierten Ösophagus.
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- 1
- Schritt
- 2
- Schritt
- 3
- Außenkontur
- 4
- Schnittbild
- 5
- Atrium
- 6
- Aorta
- 7
- Objekte
- 8
- Schritt
- 9
- Schritt
- 10
- Schritt
- 11
- Schritt
- 12
- Schritt
- 13
- Schritt
- 14
- Pfeil
- 15
- Schritt
- 16
- Pfeil
- 17
- Pfeil
- 18
- Außenwand
- 19
- Außenkontur
- 20
- Mittelpunkt
der Außenkontur
- 21
- Punkt
- 22
- Sagittalschnitt
- 23
- Außenkonturen
- 24
- Begrenzungen
- 25
- Schritt
- 26
- Schritt
- 27
- Pfeil
- 28
- Schritt
- 29
- Ösophagus
- FD
- Fourier-Deskriptoren
- K
- Außenkontur
- z
- Index
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - M. Rousson
et al, „Probabilistic Minimal Path for Automated Esophagus
Segmentation”, Proc. SPIE Medical Imaging, Vol. 6144, 2006,
S. 1361–1369 [0005]
- - Ragan et al., „Semiautomated four-dimensional computer
tomography segmentation using deformable models”, Medical
Physics 32(7), Seiten 2254–2261 [0006]
- - Huang et al., „Semi-automated CT segmentation using
optic flow and Fourier interpolation techniques”, Computer
Methods and Programs in Biomedicine 84, Seiten 124–134 [0006]